大陆ARS4-B雷达天线浅析

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2023-04-07 13:09:13 835

本期将介绍一款上市十年左右的雷达—大陆ARS4-B，尽管设计之初使用Tx和Rx相分离的方案，集成度远不如现在，但能同时实现中远距离同时探测的设计思路一直沿用至今，而且量产之初就用在Tesla Model3和奔驰E级车。后面将介绍一些基本性能，然后对天线做性能仿真。

Part 1：性能简介

图1：雷达外观及天线板

主要工作频率为76-77GHz，2T3R实现6通道，带有数字波束赋形功能。其中短距离模式下最远探测距离为55m，FoV角度±45°。对于中远距离探测，±9°FoV的探测距离最远120m，±4°最远覆盖距离为177m。

图2：雷达探测距离分类

在雷达可视范围内最高支持64个目标探测，通过检测和评估其视野内的所有目标，雷达传感器能够分析当前收集的数据并预估车辆未来的行驶路径；

图3：雷达的波束角度

自适应巡航控制：传感器检测其视场内的目标并将目标消息输出传输到自适应巡航控制系统（驾驶员辅助系统）。整个流程如下：A：雷达发送包含在视场内检测到的所有目标的列表。B：包含到检测到的目标的距离的消息。C：如果与前方车辆的距离低于阈值距离，则会向自适应巡航控制系统发送制动请求消息。

图4：自适应巡航及紧急制动

紧急制动辅助：一旦雷达传感器在其视场内检测到物体，它就会向紧急制动辅助系统发送特定的消息输出请求。流程如下：A：当与一个或多个检测到的目标的距离低于视场内的预定阈值时，将发送一条距离警告消息。B：如果到一个或多个物体的距离低于第二阈值，则发送减速请求消息。C：收到这些消息请求后，制动系统开始减速以避免与检测到的物体发生碰撞。传感器提供必要的减速信息，以确保当物体低于第二阈值时避免碰撞。

Part 2：天线分析

Continental ARS 4-B 雷达采用串联馈电微带贴片天线，两个发射天线(TX) 和三个接收天线 (RX) ，介质基板厚度100μm。传导功率，即 RF系统提供给天线的射频功率，小于 10 dBm (10mW)。为了提高天线的带宽，基板的厚度保持在100微米。此外，在PCB顶部印刷电阻片，并使用带有通孔栅栏的金属平面来抑制表面波。当施加交变电场时会发生介电损耗，导致材料分子经历重复的极化循环并耗散热能。天线中的不同类型的损耗包括介电损耗、导体损耗和表面损耗，可以通过在制造过程中为介质板和导体选择合适的材料来减少这些损耗。附图描述了 PCB 上的天线布局及芯片信息。包括反射抑制六边形缺陷接地结构和整体接地模式。

图5：天线布局及芯片分布

图6：介质基板横切面

RX1和 RX2 天线由一个梳状线阵列组成，间距 2.12 mm。另一方面，RX3 天线是一个小型二维阵列，由两个分开 2.12 mm的独立线性 RX阵列组成。在 y （俯仰）方向上，RX3 阵列与RX1 和 RX2天线相距 3.92 mm，而在 x（方位）方向上，它与RX1 和 RX2天线之间的中点相距12.73 mm。TX 天线分为两组，每组包含七个相同的TX 线阵列，间隔 2.12 mm，并带有功分器馈电网络。两个发射天线间距约7倍波长。

图7：天线计算模型

图8：天线的仿真S参数

介质基材厚度0.1mm，宽45mm，长66mm，结构中包含2个发射天线和3个接收天线。发射天线间距27.45mm，RX2和Rx3相距12.73mm，Rx1和Rx2距离2.12mm。仿真结果来看，单个天线的能量集中分布在76-77GHz内，端口匹配良好。

图9：单Tx天线方向图

图10：双发天线方向图

发射天线1和2性能一致，3dB方位波束宽度±9°，实现中距离探测，在±45°处的峰值增益在5dBi左右，实现短距离探测。同时Tx1和Tx2同时工作时，在±4°的波束实现最远距离177m探测；

图11：Rx和Rx3方向图对比

Rx1和Rx3的差异体现在方位面角度以及增益强度，Rx1峰值增益12dBi，3dB俯仰/方位波束宽度分别为18°和90°；Rx3峰值增益14.5dBi，3dB俯仰/方位波束宽度分别为18°和60°。

电磁带隙结构是一种新型人工电磁材料，其具有独特的同相反射相位特性以及表面波带隙特性，通过设计其表面波带隙，可以在一定的频率范围内抑制表面波的传播，由于表面波是造成阵列天线间互耦的主要因素之一，因此可利用EBG 结构达到抑制天线间互耦的效果，相比于缺陷地结构，电磁带隙结构不用破坏地平面，因此在抑制互耦的同时不会造成增益的降低。

因为介质板的介电常数和厚度能够影响到天线在介质层上的表面波，而且表面波随着介质板介电常数和厚度的增加会越来越严重，但是微带线的厚度影响着天线的带宽，介质板的介电常数可以调节天线的中心频率，为了权衡设计阵列天线时阵元之间表面波与天线整体之间的性能，就需要合理的设计天线的参数和介质板的参数，使之达到最优的匹配。有些情况下必须舍掉阵元之间的表面波来得到天线本身的性能，此时就需要对表面波进行特殊的处理，使得天线间的耦合达到天线可用的标准，这些方法中包括了EBG 结构。

图12：EBG结构

Continental ARS 4-B雷达在贴片天线周围配备六边形缺陷结构和过孔以最小化反射这些结构被合并以增强天线与传输线或馈电网络之间的阻抗匹配，从而减少反射。此外，六边形结构影响工作带宽，有效降低基板的介电常数。六边形缺陷接地结构在分配接地平面中的电流以及调节基板中无线电波的输入阻抗和激发方面起着至关重要的作用。确保了更均匀的电流分布并导致更好的辐射特性。

附图1：DataSheet